Jurnal Tcktrik Encrgi, Vol.2, No.l' April20ll rssN 20E9 - 2s27

PENGARUH MODEL DII'RAKSI TERIIADAP PERAMBATAN GELOMBANGDETONASI PADA CAMPURAN BAHAN BAKAR HIDROGEN-OKSIGEN DENGAN

DILUENTARGON

Bambang Puguh

Jurusan Teknik Konversi Energi - Politeknik Negeri BandungEmail: bambang.energi@gmail.com

AbstrakPada sistem pembakaran snpersonik, shock wove dan reqction wqve merqmbat dengan kondisi berhimpil dengan

kecepatan di bawah 1 nilvo'detik Shockwaveyang memiliki tekanan tinggi hingga mencapai 20 kali tekanan awal

akai nembahayakan bagi keselamatan manusiajika kecelakaan detonasi terjadi. Dengan demikiaan diharapkan

kecelakaanyaig diakibaikon oleh gelombang detonasi akan dapat dihindori atau diminimalisasi. Hal ini dilakukan

dengan cara mingubah gelombang detonasi menjadi gelombang defagrasi, yaitu memisohkan shockwave dengan

reaition wave akibat proses ekspansi gelombang detonasi. Pada eksperimen ini, model diuji pada pipa uji detonasr

(PIJD) horizontal berpenampang lingkaran dengan diameter dalam 50 mm dan panjang 6.j00 mm yang terdiri dori

seksi driyer sepanjang 1000 mm, seksi driven sepanjang 5j00 mm. Pada sel<si driven dipasangmodelfacing step 50oZ dengan bahan alumunium sepanjang 300 mm. Eupat unit sensor lekanan yang berfungsi untuk merekam profiltekanin sepanjang proses pembakaran dan empdt unit ionisqlion probe yong berfungsi unluk mendeteksi waktu

keaatangan flimiliont, dipasang masing masing 2 unit di upstrcam dan 2 unit di downstream dari model dengan

posisi s;tini berhsdapan. Campuran bahan bakar untuk seki driver yang digunakan pada experimen ini adalah'"orpuru hidroge, din oksigen dengan kondisi stokiometrik dantekanan awal 100 kPa untuk meniauinterjadinya

detonasi pado seksi driter, sedangkan pada seksi dtiven cdmpuron bahan bakar yang digrnokan adalah campuran

hidrogei-ol<sigen dengan diluent argon pada variasi tekqnan awal mulai 20 kPa hingga 100 kPa. Dari hasil

penelitian dipiroleh j mekanisme perambatan gelotflbang detonasi di belakang model.facing step 50_%o, yaitu a)'Reinisiasi

ditonasi oleh adanya DDT, yaitu kondisi merambatnya keubali gelombang detonasi okibat.proses

deltagration to detonation transition di claerah dov,nstream dqri model setelah sebelumnya quenching detonasi

aiibit gelombang ekspansi, (b) Reinisiasi detonasi oleh adanya S-W, kondisi merambatnya kembali gelombong

detonii okibat idonyo interaksi gelonbang keiut dengan dindingpipa, (c) trarcmisi detonasi, -merupakon

proses

perambatqn gelombing detonasi nnpa melalu pros es quenchingdi daerah downstreqn dari model'

Kata kunci : detonasi, dellagrasi, shockwave, facing step

PENDAHULUAN

Latar BelakangDetonasi adalah gelombang pembakaran yang

merambat pada kecepatan supersonic, dimanashock wave akan terbentuk tepat di depan

reaction ware- Sernakin cepat reaclion rale,maka shock wave akan semakin dekat dengan

reaclion wave sehingga keduanya meranbat

berhimpit denganjarak di bawah I ps, dan pada

kondisi ini terjadi detonasi. Fenomena detonasi

ini memiliki tekanan yang sangat tinggi hingga

bisa rnencapai lebih dari 20 kali dari tekanan

awal. Tekanan yang ekstrim tinggi ini berpotensi

membahayakan keselamatan manusia dan dapat

menghancurkan peralatan yang ada.

Untuk menghindari kecelakaan yang terjadi

karena detonasi, maka pada sistem yang

menggunakan bakan bakar yang sangat reaktif

mem;lukan alat pengaman yang berfungsi

untuk menghentikan proses peram batandetonasi. Cara mengendalikan detonasi inihanya efektifjika perambatan shock \eave dan

reaction wave dapat dipisahkan. Salah satu

teknik untuk mengendalikan perambatan

detonasi adalah dengan menghambat lajugelombang detonasi. Cara inilah yangdipergunakan untuk mendesain alat pengaman

detonasi (delonalion orreslcr) yanEkeberadaannya dapat memberikan rasa aman diindustri atau suatu sistem yang menggunakanpipa sebagai media untuk mengalirkan bahan

Lakar murni ataup:un premixed unttJkmenunjangproses kerjanya.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui

karakteristik dan pola perambatan detonasi di

belakang model facing step yang dapal

digunakan sebagai metode dalam mendesain alat

pengaman di industri yang menggunakan

111

Jurnal Tckrik Energi, !b1.2 , No.l, April 2ul2

bahan bakar hidrogen dengan diluent argon,sehinggajam inan keamanan dapat terpenuh i.

Dari penelitian ini diharapkan dapat diketahuimekanisme dan pola rambatan detonasi dibelakang model facing step 50 Yo sertaparameter-parameter apa saj a yangmempengaruhi perambatan detonasi sehinggadidapatkan data yang akurat untuk mendesaindetonalion arresler pada suatu sistem yangmenggunakan bahan bakar hidrogen.

Tinjauan pustaka

Quenching detonasi dapat tercapai jikaperambatan gelombang'detonasi mengalamifenomena difraksi yang melalui perubahandiameter pipa. Gelombang detonasi yangmelalui suddent enlargement akan mengalamiperubahan kecepatan, sehingga gelombangdetonasi dapat dikendalikan menjadi defl agrasi.

Ohyagi et al. (2002) melakukan penelitiandifraksi dan re-inisiasi detonasi melalui

rssN 2089 - 2S?7

backward-facing step yang menyimpulkanbahwa penghalusan gelombang yangdipancarkan dari sudut difraksi dapatmengurangi kekuatan shock wave, dimanasemakin kecil tekanan awal bahan bakarmengakibatkan terjadinya kegagalan detonasi dibelakangmodel.

Sedangkan berkaitan dengan unjuk kerjabahan bakar, Sentanuhady (2006) melakukaneksperimen menggunakan campuran bahanbakar gas hidmgen, udara dan argon. Hasilpenelitian menunjukan bahwa detonasi akanmerambat dengan mudah jika campuran bahanbakarhidrogen udaradan argon sekitar 1,3.

Pada tahun 2007, Zhn et al. menelitimenggunakan perforate plale sebagtipembangkit difraksi pada gelombang deton:rsi,menyimpulkan bahwa batas kritis terjadinl a

detonasi yang disebut CJ deflagrasi merupakansetengah kecepatan CJ detonasi .

El-t_floE)J

eh(NOc)

-t-l

t-plir

dH

Flrp

METODE PENELITIANPada Gambar I menunjukkan skematikeksperimen, dimana pipa uji detonasi (pUD) danalat-alat pendukung lainnya diinstal. pUDdengan panjang total 6.300 mm dan diameterdalam 50 mm dibagi dalam 2 bagian, yaitu

Gambar l. Skema pipa uji detonasi horizontal, panjang total L = 6300 mm dandiameter dalam @ = 50 mm. Model facing step S0% beradi di antara p2dan p3. Soot

track record dipasang di upstream dan downsrle.rm model facing step.

RdU kt

firl o- 1{-

bagian pertama disebut seksi driver d,an bagiankedua disebut seksi driven. Seksi r/riverberfungsi memberikan energi inisiasi yang besarke dalanr seksi driven sehingga sebelumupstream dari n.rodel diharapkan gelornbangdetonasi sudah terbentuk dengan stabil.

aoaa

1

dF'

EbrorhrbDS.cba

Pi-i-ll.d[.

nlI3lJlblll.

o

otuO*

IEJ.

a

112

Ilhtu

Dnpld

Jumrl Teknik f,trergi, Vol.2, No.l, April2ol2

Gelombang detonasi akan merambat dari seksidriver melettati seksi driven yang dipasangmodel facing step 50 % menuju ke arah dumptankDalam penelitian ini, model/acr'ng step terbuLat

dari alurnunium dengan panjang 300 mm,diameter 50 mm dan disayat sebesar 50 %digunakan sebagai rnodel untuk mengetahuimekanisme dan karakteristik gelombangdetonasi serta efek dari variasi tekanan terhadapperam bat an de tonati on.

Empat sensor dipasang sepanjang seksi drrvezdimana masing-masing 2 sensor tekanandipasang di daerah upstream (P, dan P.) dand ow n s trc a m (P, dan P,) dari modet/acr'ng step.

Tabel l. imental conditioru

Hal ini diperlukan karena untuk mendapatkanprofile tekanan shock wave di daerah upstreamdan downstream dari model facing Jtep. Untukmendeteksi proses pembakaran pada suatuposisi, empat ionization probe juga dipasangpada seksi driven yang posisinya berhadapandengan posisi sensor tekanan dan dipasang padaposisi I,,I,. I, dan Io. Dengan menggunakansensor-sensor di atas, kecepatan rata-rata darishock waye dan reaction wave akan dapatdihitung dengan tepat. Sensor tekanan danionizalion probe tersebut dihubungkan denganamplifier dan digital data recorder, :untttkkemudian datanya dapat diolah dandivisual isasikan di komputer.

Proses pengisian campuran bahan bakar gas kedalam PUD dikontrol dengan high-precisiondigital pressure sersor (KEYENCE) sehinggadidapatlian kealiuratan tekanan awal campuranbahan bakar gas di dalam PUD.

Busi dan unit coil dari kendaraan bermotordigunakan sebagai sumber energi untukmengawali proses pembakaran di dalam seksidriya,: Proses pembakaran di daerah upslreomdan downslJeam direkam dengan teknik soottrack record'vn,h)k mendapatkan gambaran seldetonasi di sekitar model/acing step, sehinggamekanisme dari-perambatan detonasi danquenchingdetona tapat dipahami.

I

ISS^" 2089 - 2527

Gambar 2. Modelfacing step 50 %

Campuran bahan bakar yang digunakan dalampenelitian ini adalah gas hidrogen denganoxidizer oksigen pada kondisi stoikiometrik.Campuran bahan bakar yang digunakan dalampenelitian ini adalah gas hidrogen denganoxid i z e r oksigen pada kondisi stoikiometrik.

Campuran bahan bakar tersebut disimpanselama minimal 12 jam sebelum digunakandalam eksperimen untuk menjamin homogenitasyang lebih lebih baik. Tekanan awal campuranbahan bakar di dalam PUD disetting padatekanan l0 kPa sampai 100 kPa dan dilakukanpada suhu ruangan berkisar antara 27- 33"Csepertidalam Tabel 1.

Dari tahapan di atas. diharapkan parameter-paran'eter termodinam ika yang mempengaruh iperambatan detonasi bisa didapatkan dandigambarkan dengan jelas. sehingga denganmudah dap'at diimplementasikan dalam prosesdesain detonation arresler untuk sistemberbahan bakar hidrogen.

HASILPENELITIANDari hasil penelitian ini didapatkan data tekanangelombang kejut, ionisasi api pembakaran dansel detonasi, maka perambatan gelombangdetonasi dapat diklasifi kasikan menjadi tiga

!

Pararrete t Drlver tube DivenFuel Ifuogen

H)Oxidizer &ysen (O) Onpen (O)

Argon (Ar)Equivalence

ratio, Q

I(stoichiometi

c)

I6toichiometfic)

Initalpfe$we

(kPa)

100 20, 30, 40,

50,60, 70.80.90, 100

Temperature Room temp

113

Hy&ogen (Hl

Room temp

Dlluent

Jurdal Teknik Energi, \b1.2 , No.l, Aprrl20l2

kondisi perambatan shock wave danreoction wove selela h melalui/ocrn g step yaitu,(a) Reinisiasi detonasi oleh adanya DDl, (b)Reinisiasi detonasi oleh adanya S-W (c)Transmisi detonasi Masing-masing polarambatan akan dijelaskan berikut ini.

Dari pengujian pada tekanan au'a[20 kPa,gelombang detonasi merambat pada kondisistabil pada P, dan P, seperti terlihat pada gambar3a, Setelah melalui /acing step, gelombangdetonasi ter-difraksi menjadi gelombangdeflagrasi yang disebabkan karena suddentenlargement.

Di daerah dimana sensor P, ditempatkan,kenaikan tekanan P, tidak bersamaan denganturunnya sinyal ionisasi, sehingga dapatdikatakan bahwa pada daerah ini perambatanpembakaran dikategorikan gelombangdeflagrasi. Hal ini diperkuat dengan besarnyakenaikan tekanan pada sensor P, hanya 4 kalitekanan awal (80 kPa) dimana tekanan inijauhlebih kecil dari tekanan teoritis CJ detonasi, P,,=350 kPa. Gelombang deflagrasi ini cenderungmenjadi lebih cepat dari posisi ke posisi danakhirnya melalui proses DDT menjadigelombang detonasi dengan ditandai adanyadeteksi naiknya tekanan di sensor Po bersamaandengan turunnya sinyal ionisasi.

Bila dilihat d,ari soot track record padakondisi yang sarna seperti tampak pada Gambar4a, pada daerah setelah model tidak terdapat selrelatif kecil dan berubah menjadi lebih besar

rssN 20t9 - 2527

detonasi tetapi pada jarak 160 mm dari modelmulai tampak sel detonasi dengan ukuran yangdan merata. Ukuran sel detonasi yang stabil dannierata ini menunjukkan bahwa setelah proses

re-inisiasi gelombang detonasi merambat padakondisi yang stabil. Kondisi ini diklasifikasikansebagai re-inisiasi gelombang pembakaranakibat proses DDT.

Fenomena re-inisiasi detonasi olehinteraksi gelombang kejut dengan dinding pipaditunjukan pada Gambar 4b yang terjadi padakondisi eksperimen pada tekanan awal p, = 60kPa. Dampak dari adanya model facing stepmenyebabkan terjadinya perlambatanpembakaran, karena gelombang detonasiterdifraksi menjadi gelombang deflagrasi yangditandai dengan tidak terbentuknya sel detonasisetelah model facing step. Melalui interaksigelombang kejut dengan dinding pipa,gelombang deflagrasi tereinisiasi dan berubahmenjadi gelombang detonasi padajarak sebelumsensor P,, sehingga sensor P, dan Po mendeteksiadanya perambatan gelombang detonasi denganditandai naiknya sinyal tekanan bersamaandengan turunnya sinyal ionisasi. Hal inidiperkuatdengan terbentuknyaseldetonasiyangterlihat pada Cambar 4b dengan ukuran sangatkecil mulai dari bagian sisi tepi berangsur-angsur merata di seluruh permukaan denganukuran yang stabil. Besarnya tekanangelombang kejut hampir konstan me ncapai 14.7kali tekanan awal yaitu 882 kPa dimana tekananini sedikit lebih kecil dari tekanan teoritis CJdetonasiP.,= 1092 kPa.

,\

a

:--t.I

t-Tt"

a

.='-t.It'I.t"

,,;i,.I"t^at"

o.$ra ar! o,iit! lrar 0,!aa6 ct{ o.ta66 o.trrlc rE fr..td

(a) (b) (c)

Gambar 3. Profil gelombang reaksi dan tekanan gelombang kejut pada kondisi (a) re-inisiasi katena DDT, p.:20 kPa (b) re-inisiasi detonasi karena S-llt, p" : 60 kpa. (c) tronsmisi detonasi p.: t 00 kpa,

F.-@ *e., F.dt a,bo.sx 1. 1@ t". , t*tq sr+. flx

114

P. ., Fr, FrCrr Stt, r !O X

tssN 2089 - 2527

(b)

(c)

Gambar 4, Rekaman soot track record di belakangfacing step pada kondisi (a) ) Reinisiasidetonasi oleh proses DDT (b) Reinisiasi detonasi oleh interaksi leiombang kejut dengan dinding

pipa (c) Transmisi detonasi

Jika tekanan awal gas dinaikkan kentbalimenjadi 100 kPa, maka kondisi di lps tream darimodel adalah gelombang detonasi yang stabilseperti tampak pada gambar 3c dan setelahgelombang detonasi tersebut melalui modelfacing. step

_ gelombang pembakaran tetap

merambat. sebagai gelombang detonasi tanpamengalami proses qucnching seperti kasus 3adan 3b..Hal ini.bisa terjadi karena gelombangdetonasi merambat pada media yang t"Uit tinggltekanan awalnya yang sebenarnya Ie-bih reakti]

^ . Bita dilihat pada soo! track rec.ord padaGambar 3c tampak bahwa proses transmisidetonasi terjadi tanpa didahului prosesquenching yang masif. Sel detonasi tarnpakmerata di daerah downstream dari model denganukuran yang merata dan stabil tanpa adaiyadaerah. tanpa sel detonasi. Tipikal gelombangpembakaran seperti ini pada umumiya terjad-ipada tekanan awal campuran gas yang tinggi."

Pada Gambar 5 menunjukkan hubunganantara jarak re-inisiasi detonasi dengan tekaianawal campuran bahan bakar hidrogen danoksigen dengan diluent argon.

350

300

2&

e 200

ei

E,*6c too

!soIE

-50200 ,10 60 80

tnidal P,r,3su}B , P.(kpa,r00 1m

Gambar 5. Hubungan antarajarak re-inisiasi detonasi Drl dengan tekanan awal

campuran bahan bakar

Surnbu vertikal merupakan jarak re-inisiasi detonasi Dri d.an sumbu horizontalmerupakan tekanan awal campuran bahan bakarhidrogen dan oksigen dengan diluent argon. Daripenelitian ini didapatkan hasil bahwa dengantekanan yang semakin kecil maka jarak ie-inisiasi detonasi Drl akan Iebih panjang.

Feclng St€p = 50 .l

FS

ll5

Jurtrrl T.kniL Energi, lbl.2, No.l, ,{prll2012

(a)

t1

12

10

T

Jurnel T.kniL Eocrgi, 1'01,2 ' No.f, April20f2

(nn)

tssN 20t9 - 252?

KESIMPULAN

Tiga kondisi mekanisme perambatan gelombangpembakaran dapat diobservasi dari penelitianini, yaitu , (a) Reinisiasi detonasi oleh adanya

DDT, yaitu kondisi merambatnya kembaligelombang detonasi akibat proses deflagrationto detonation transition di daerah downsteamdari model setelah sebelumnya quenchingdetonasi akibat gelombang ekspansi, (b)Reinisiasi detonasi oleh adanya S-W, kondisimerambatnya kembali gelombang detonasiakibat adanya interaksi gelombang kejut dengan

dinding pipac) transmisi detonasi, merupakan prosesperambatan gelombang detonasi tanpa melaluproses quenching di daerah downstream darimodel.Ketiga mekanisme perambatan gelombang yang

dapat diobservasi sangat dipengarui olehtekanan awal campuran gas. Tekanan awalcampuran gas yang rendah akan membuatmekanismenya adalah quenching detonasi,tekanan awal menengah mekanismenya adalahre-inisiasi, sedangkan bila tekanan awalnyatinggi akan terjadi mekanisme transmisigelombang detonasi.Tekanan awal campuran gas sendirijuga sangatmempengaruhi jarak re-inisiasi gelombangdetonasi pada kondisi re-inisiasi detonasi aliibatDDT, semakin tinggi tekanan awal, makasemakin pendek jarak re-inisiasi detonasi-nya.

DAFTARPUSTAKA

Ohyagi S., T. Obara, S. Hoshi, P Cai, T.Yoshihashi, 2002, "Diffraction and re-initiation of detonations behind abackward-facing step", Shock Wave, v 12.

Sentanuhady J., Obara T., TsukadaY, Ohyagi S.,

2006: Re- in itiat ion proce sse s of de tonationwave behind slit-plate:inJluence of initialtest gas pressure. Trans. Jpn. Soc. Mech.Eng. Ser.B72, 3 I 58-3 165.

Santoso T., Sentanuhady J., 2010: MekanismeRe-inisiasi Perambatan GelombangDetonasi di Belakang Celah Sempit.Pro oc edings Seminar NasionalThermofluid 2010.

''l.l

.'l

II1

210 () t0 00 tm lN,,t drl Prr.'n4,t, P.(rtP0

Gambar 6. Hubungan tekanan inisiasi, poterhadap lebar sel detonasi X

Proses re-inisiasi detonasi yangdisebabkan oleh adanya proses DDTterjadi pada

tekanan awal 20-50 kPa, sedangkan fenomenare-inisiasi detonasi terjadi karena pengaruhinteraksi gelombang kejut dengaan dinding pipa(S-W) pada tekanan awal 60-100 kPa. Darigrafik gambar 5 tampak bahwa kondisi re-inisiasi detonasi umumnya selalu terjadisebelum posisi P,, hal ini menunjukkan bahwaproses re-inisiasi selalu terjadi pada jarak yangsangat pendek dari model bila dihitung darimodel.

Dan dari grafik ini juga mendemontrasikan bahwa re-inisiasi detonasi sangatdipengaruhi oleh tekanan awal campuran gas,

semakin tekanan awal campuran gas makasemakin pendekjarak re-inisiasinya.

Gambar 5 menunjukkan hubungan antaratekanan inisiasi dengan lebar sel detonasi ,1.

Sumbu vertikal merupakan lebar sel detonasi ,1,

sedangkan sumbu mendatar merupakan tekananinisiasi (P,). Dari grafik tersebut menunjukansemakin besartekanan inisiasi maka sel detonasisemakin kecil. Hal ini mengidikasikan bahwalebar sel detonasi ,t, sangat bergantung daritekanan inisiasi dimana semakin besar tekananinisiasi maka lebar sel detonasi semakin kecil.Ohyagi S. et al. pada tahun 2002 melaporkanbahwa parameter detonasi tidak hanyabergantung pada tingkat kereaktifan gasmempengaruhi kekuatan dari gelombang kejuttetapi lebih pada ukuran seldetonasi.

t

.l

Faclng S'F,P t 50 %

116

I

6

a

2

0